RU161513U1

RU161513U1 - PLANARIC MICROTHERMODESORBER OF CONTINUOUS ACTION FOR GAS CHROMATOGRAPHY

Info

Publication number: RU161513U1
Application number: RU2015147691/28U
Authority: RU
Inventors: Игорь Артемьевич Платонов; Юрий Иванович Арутюнов; Владимир Игоревич Платонов; Максим Глебович Горюнов; Екатерина Анатольевна Новикова; Ирина Николаевна Колесниченко; Ирина Михайловна Муханова
Priority date: 2015-11-05
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2016-04-20

Abstract

Планарный микротермодесорбер непрерывного действия для газовой хроматографии, содержащий две сорбционные трубки с элементами Пельтье для охлаждения при адсорбции примесей и нагревания при их десорбции, заполненные соответствующим сорбентом для адсорбционного концентрирования летучих примесей органических и неорганических веществ из газовых сред и их последующей термодесорбции с сорбционных трубок в обратном направлении, чем при сорбции, в хроматографическую колонку для анализа, отличающийся тем, что содержит каналы для сорбционных трубок одинаковой геометрии, выполненные на плоских металлических пластинах методом микрофрезерования с возможностью поочередного подключения к хроматографической колонке в качестве объема дозы с помощью четырех электропневмораспределителей для реализации непрерывного процесса анализа.Continuous planar microtherm desorber for gas chromatography, containing two sorption tubes with Peltier elements for cooling upon adsorption of impurities and heating during desorption, filled with an appropriate sorbent for adsorption concentration of volatile impurities of organic and inorganic substances from gaseous media and their subsequent thermal desorption from sorption tubes in the reverse direction, than during sorption, in the chromatographic column for analysis, characterized in that it contains channels for sorption the same geometry of the tubes formed on the flat metal plates mikrofrezerovaniya method to be alternatively connect to a chromatographic column as the dose volume using four elektropnevmoraspredeliteley for implementing continuous analysis process.

Description

Полезная модель относится к газовой хроматографии и может быть использовано для концентрирования примесей в газовых средах методом твердофазной экстракции с последующей термодесорбцией в хроматографическую колонку для анализа в химической, нефтяной, газовой отраслях промышленности, медицине, экологии, криминалистике, парфюмерии и др.The utility model relates to gas chromatography and can be used to concentrate impurities in gaseous media by solid-phase extraction followed by thermal desorption into a chromatographic column for analysis in the chemical, oil, gas industries, medicine, ecology, criminalistics, perfumes, etc.

Известны различные термодесорберы для хроматографического анализа примесей летучих органических и неорганических веществ в различных газовых средах, реализующие процессы концентрирования примесей методом твердофазной экстракции (ТФЭ) при низкой температуре адсорбента и их десорбцию при более высокой температуре. Процессы ТФЭ обычно проводят в коротких трубках длиной 100-120 мм с внутренним диаметром 3-4 мм. Трубку заполняют соответствующим адсорбентом и продувают фиксированным объемом исследуемого газа. В последнее время в аналитической практике используют метод твердофазной микроэкстракции (ТФМЭ), заключающийся в том, что адсорбцию примесей проводят на сорбенте, нанесенном на поверхность выдвижного штока иглы дозирующего микрошприца, а десорбцию - непосредственно в испарителе хроматографа, (см.: Яшин Я.И., Яшин Е.Я., Яшин А.Я. Газовая хроматография. М.: «ТрансЛит», 2009. С. 425-443).There are various thermal desorbers for chromatographic analysis of impurities of volatile organic and inorganic substances in various gaseous media, which realize the processes of concentration of impurities by the method of solid-phase extraction (TFE) at a low temperature of the adsorbent and their desorption at a higher temperature. TFE processes are usually carried out in short tubes 100-120 mm long with an internal diameter of 3-4 mm. The tube is filled with the appropriate adsorbent and purged with a fixed volume of the test gas. Recently, in analytical practice, the method of solid-phase microextraction (TFME) has been used, which consists in the fact that the adsorption of impurities is carried out on a sorbent deposited on the surface of the sliding rod of the needle of a dosing microsyringe, and desorption is carried out directly in the chromatograph's evaporator (see: Yashin Y.I. ., Yashin E.Ya., Yashin A.Ya. Gas chromatography. M.: TransLit, 2009. S. 425-443).

Известны способы и устройства получения планарных колонок на кремниевых пластинах с использованием современных МЭМС-технологий, при которых каналы для колонки на кремниевой пластине получают методом фотолитографии и химического травления с последующей герметизацией этих каналов путем электрического (анодного) сращивания со стеклом марки Пирекс. (см.: Козин С., Федулов А., Пауткин В., Баринов И., Микроэлектронные датчики физических величин на основе МЭМС - технологий // Компоненты и технологии, 2010. №1. С. 24-27).Known methods and devices for producing planar columns on silicon wafers using modern MEMS technologies, in which channels for a column on a silicon wafer are obtained by photolithography and chemical etching, followed by sealing of these channels by electrical (anode) splicing with Pyrex glass. (see: Kozin S., Fedulov A., Pautkin V., Barinov I., Microelectronic sensors of physical quantities based on MEMS - technologies // Components and Technologies, 2010. No. 1. P. 24-27).

Известен также способ и устройство получения микрохроматографических колонок на плоских пластинах не только из кремния, но и из других материалов: стекла, различных металлов или полимеров. При этом каналы на плоских пластинах получают методом лазерной абляции, а их герметизацию после заполнения сорбентом проводят с помощью дополнительной пластины через прокладку из полимерной пленки при воздействии температуры под вакуумом, (см.: Платонов И.А., Арутонов Ю.И., Голубев О.Н., Платонов В.И., Никитченко Н.В. Способ получения микрохроматографических колонок на плоских пластинах. Патент РФ №2540231 опубл. 10.02.2015 г. // МПК G01N 30/56).There is also a known method and device for producing microchromatographic columns on flat plates not only from silicon, but also from other materials: glass, various metals or polymers. In this case, channels on flat plates are obtained by laser ablation, and their sealing after filling with sorbent is carried out using an additional plate through a strip of polymer film when exposed to temperature under vacuum (see: Platonov I.A., Arutonov Yu.I., Golubev O.N., Platonov V.I., Nikitchenko N.V. A method for producing microchromatographic columns on flat plates.Patent of the Russian Federation No. 2540231 publ. 02.10.2015 // IPC G01N 30/56).

Однако известные способы и устройства проведения процессов ТФЭ с последующей термодесорбцией являются дискретными и обладают недостаточной воспроизводимостью результатов анализа. Кроме того, известные способы и устройства получения каналов на плоских пластинах для заполнения сорбентом сложные в изготовлении и не всегда обеспечивают достаточную точность геометрических размеров этих каналов.However, the known methods and devices for carrying out TFE processes with subsequent thermal desorption are discrete and have insufficient reproducibility of the analysis results. In addition, the known methods and devices for producing channels on flat plates for filling with sorbent are difficult to manufacture and do not always provide sufficient accuracy of the geometric dimensions of these channels.

Наиболее близким к полезной модели по совокупности существенных признаков является двухступенчатый термодесорбер ТДС-1, предназначенный для проведения анализа летучих компонентов в воздухе. Наличие дополнительной сорбционной трубки позволяет проводить фокусирование пробы перед направлением ее в хроматографическую колонку. Трубка охлаждается элементами Пельтье до минус 20°C. После завершения процесса сорбции трубка быстро нагревается со скоростью 2000°C/мин и анализируемые компоненты узкой зоной направляются в хроматографическую колонку. Десорбция с сорбционной трубки осуществляется в обратном направлении, чем при сорбции. Таким образом, менее летучие компоненты не контактируют с адсорбентом (см.: http://www.chromatec.ru/products/peripherals/termodesorber_tds_1_dvukhstadiynyy_/).The closest to the utility model in terms of the set of essential features is the TDS-1 two-stage thermal desorber, designed to analyze volatile components in the air. The presence of an additional sorption tube allows focusing of the sample before sending it to the chromatographic column. The tube is cooled by Peltier elements to minus 20 ° C. After the sorption process is completed, the tube quickly heats up at a rate of 2000 ° C / min and the analyzed components are sent to a chromatographic column in a narrow zone. Desorption from the sorption tube is carried out in the opposite direction than during sorption. Thus, less volatile components do not contact the adsorbent (see: http://www.chromatec.ru/products/peripherals/termodesorber_tds_1_dvukhstadiynyy_/).

Недостатками известного термодесорбера ТДС-1 являются:The disadvantages of the known thermal desorber TDS-1 are:

- Большие габариты устройства- Large dimensions of the device

- Сложность проведения анализа в две стадии- The complexity of the analysis in two stages

- Повышенное энергопотребление, связанное с быстрым разогревом сорбционной трубки- Increased energy consumption associated with quick heating of the sorption tube

Задачей полезной модели является миниатюризация конструкций с использованием новых МЭМС - технологий и упрощение методики анализа летучих примесей в газовых средах.The objective of the utility model is to miniaturize structures using new MEMS technologies and simplify the methodology for analyzing volatile impurities in gaseous media.

Эта задача решается за счет того, что в планарном микротермодесорбере непрерывного действия для газовой хроматографии содержатся две сорбционные трубки с элементами Пельтье для охлаждения при адсорбции примесей и нагревания при их десорбции, трубки заполнены соответствующим сорбентом для адсорбционного концентрирования летучих примесей органических и неорганических веществ из газовых сред и их последующей термодесорбции с сорбционных трубок в обратном направлении, чем при сорбции, в хроматографическую колонку для анализа, причем каналы для сорбционных трубок имеют одинаковую геометрию и выполнены на плоских металлических пластинах методом микрофрезерования с возможностью поочередного подключения к хроматографической колонке в качестве объема дозы с помощью четырех электропневмораспределителей для реализации непрерывного процесса анализа.This problem is solved due to the fact that the continuous planar microthermodesorber for gas chromatography contains two sorption tubes with Peltier elements for cooling upon adsorption of impurities and heating during desorption, the tubes are filled with an appropriate sorbent for adsorption concentration of volatile impurities of organic and inorganic substances from gaseous media and their subsequent thermal desorption from the sorption tubes in the opposite direction than during sorption, into a chromatographic column for analysis, and the channels for sorption tubes have the same geometry and are made on flat metal plates by microprocessing with the possibility of alternately connecting to the chromatographic column as a dose volume using four electro-pneumatic valves to implement a continuous analysis process.

При решении поставленной задачи создается технический результат, заключающийся в получении сорбционных трубок на плоских металлических пластинах с одинаковой геометрией каналов и создании непрерывно действующего микротермодесорбера для газовой хроматографии.When solving this problem, a technical result is created, which consists in obtaining sorption tubes on flat metal plates with the same channel geometry and the creation of a continuously operating microthermosorbing device for gas chromatography.

Предлагаемый планарный микротермодесорбер непрерывного действия характеризуется новой совокупностью существенных признаков, обеспечивающей достижение технического результата, что позволяет значительно уменьшить габариты и существенно упростить методику анализа летучих примесей исследуемых веществ в различных газовых средах за счет непрерывного процесса анализа сконцентрированных примесей.The proposed planar continuous microtherm desorber is characterized by a new set of essential features ensuring the achievement of a technical result, which can significantly reduce the size and significantly simplify the method of analysis of volatile impurities of the studied substances in various gaseous media due to the continuous process of analysis of concentrated impurities.

Полезная модель поясняется чертежом.The utility model is illustrated in the drawing.

Планарный микротермодесорбер непрерывного действия для газовой хроматографии содержит два адсорбера 1 и 2, выполненные в виде каналов длиной 140 мм с квадратным сечением 0,6×0,6 мм на предварительно отшлифованных до 6-го класса точности плоских пластинах из алюминия АМГ-6, и заполненные адсорбентом Carbopack В (диаметр частиц 0,10-0,12 мм), элементов Пельтье 3 и 4 для их нагрева или охлаждения, плоскую пластину 5 из алюминия АМГ-6 для печатного монтажа четырех электропневмораспределителей (ЭПР) 6-9 и блок управления 10, вход потока исследуемого газа 11, вход потока газа-носителя 12 и выход потока газа из адсорберов в хроматографическую колонку 13.A continuous planar microthermodeorber for gas chromatography contains two adsorbers 1 and 2, made in the form of channels 140 mm long with a square cross section of 0.6 × 0.6 mm on planar AMG-6 aluminum plates polished to the 6th accuracy class, and filled with Carbopack B adsorbent (particle diameter 0.10-0.12 mm), Peltier elements 3 and 4 for heating or cooling, a flat plate 5 of aluminum AMG-6 for the printed wiring of four electro-pneumatic valves (EPR) 6-9 and a control unit 10, inlet of the flow of the test gas 11, inlet the carrier gas current 12 and the gas flow output from the adsorbers to the chromatographic column 13.

ЭПР 6 коммутирует поток исследуемого газа поочередно на входы адсорбера 1 или 2, ЭПР 7 переключает выход адсорберов 1 или 2 в линию сброса. ЭПР 8 подключает выход адсорберов 1 или 2 к линии газа-носителя хроматографа. ЭПР 9 соединяет вход адсорберов 1 или 2 с хроматографической колонкой. Блок управления 10 по заданной программе переключает ЭПР 6 - ЭПР 9 и включает элементы Пельтье для охлаждения при сорбции примесей или для нагрева при термодесорбции примесей.EPR 6 switches the flow of the test gas alternately to the inputs of the adsorber 1 or 2, EPR 7 switches the output of the adsorbers 1 or 2 to the discharge line. EPR 8 connects the output of adsorbers 1 or 2 to the carrier gas line of the chromatograph. EPR 9 connects the input of the adsorbers 1 or 2 to the chromatographic column. The control unit 10 according to a predetermined program switches the EPR 6 - EPR 9 and includes Peltier elements for cooling during sorption of impurities or for heating during thermal desorption of impurities.

Планарный микротермодесорбер непрерывного действия для газовой хроматографии работает следующим образом.Continuous planar microtherm desorber for gas chromatography works as follows.

Для оценки работы предлагаемого планарного микротермодесорбера использовали газовый хроматограф Кристалл 5000.1, ЗАО «СКВ "Хроматэк"» с пламенно-ионизационным детектором и микронасадочной колонкой длиной 0,4 м, внутренним диаметром 0,75 мм, заполненной сорбентом Carbopack В, зернением 0,10-0,12 мм. Температура колонки T_c=50°C, газ-носитель - азот, расход на выходе колонки F_c=10 см³/мин.To evaluate the operation of the proposed planar microthermodessorber, we used a Crystal 5000.1 gas chromatograph, SKR Khromatek CJSC with a flame ionization detector and a microwell column 0.4 m long, 0.75 mm inner diameter, filled with Carbopack B sorbent, grain size 0.10- 0.12 mm. Column temperature T _c = 50 ° C, carrier gas - nitrogen, flow rate at the column outlet F _c = 10 cm ³ / min.

В качестве объема дозы при анализе исследуемого газа использовали поочередно газовые объемы адсорберов 1 или 2, которые не превышают 50 мкл каждый.As the dose volume in the analysis of the test gas, we used alternately gas volumes of adsorbers 1 or 2, which do not exceed 50 μl each.

ЭПР 6-9 имеют два положения, первое из которых - низкотемпературная адсорбция примесей (операция «набор»), второе - термодесорбция (операция «анализ»). Когда в адсорбере 1 выполняется операция «набор» и включается элемент Пельтье 3 для охлаждения, то в адсорбере 2 выполняется операция «анализ» при включенном элементе Пельтье 4 для нагрева и термодесорбции примесей обратным потоком газа-носителя через адсорбер 2 в хроматографическую колонку для анализа.EPR 6-9 have two positions, the first of which is low-temperature adsorption of impurities (operation "set"), the second is thermal desorption (operation "analysis"). When the “set” operation is performed in adsorber 1 and the Peltier element 3 is turned on for cooling, the “analysis” operation is performed in adsorber 2 with the Peltier element 4 turned on for heating and thermal desorption of impurities by the reverse flow of the carrier gas through the adsorber 2 to the chromatographic column for analysis.

Операция «набор» в адсорбере 1 и операция «анализ» в адсорбере 2 выполняются при выключенных ЭПР 6 - ЭПР 9. При этом исследуемый газ поступает на вход адсорбера 1 через ЭПР 6 и сбрасывается в линию сброса через ЭПР 7, а газ-носитель через ЭПР 8 поступает на выход адсорбера 2 и десорбирует примеси в обратном направлении через ЭПР 9 в хроматографическую колонку для анализа.The operation "set" in the adsorber 1 and the operation "analysis" in the adsorber 2 are performed when the EPR 6 - EPR 9 is off. In this case, the test gas enters the inlet of the adsorber 1 through EPR 6 and is discharged to the discharge line through EPR 7, and the carrier gas through EPR 8 enters the output of adsorber 2 and desorbs impurities in the opposite direction through EPR 9 into the chromatographic column for analysis.

Операция «набор» в адсорбере 2 и операция «анализ» в адсорбере 1 выполняются при включенных ЭПР 6 - ЭПР 9 аналогично описанной выше последовательности переключения потоков. Управление работой ЭПР и выключением элементов Пельтье для охлаждения и нагрева адсорберов осуществляется по заданной программе блоком управления 10. Низкотемпературная адсорбция исследуемого газа в адсорберах (при операции «набор») проводится до достижения проскока. После чего выполняется операция «анализ».The operation "set" in the adsorber 2 and the operation "analysis" in the adsorber 1 are performed when the EPR 6 - EPR 9 is turned on similarly to the flow switching sequence described above. The operation of the EPR and turning off the Peltier elements for cooling and heating the adsorbers is carried out according to a given program by the control unit 10. Low-temperature adsorption of the test gas in the adsorbers (during the operation "set") is carried out until the breakthrough is reached. Then the operation "analysis" is performed.

Использование предлагаемой полезной модели позволяет:Using the proposed utility model allows you to:

1) организовать серийное производство газохроматографических анализаторов летучих примесей в различных газовых средах на основе новых и совершенных МЭМС-технологий;1) to organize the mass production of gas chromatographic analyzers of volatile impurities in various gaseous media based on new and advanced MEMS technologies;

2) значительно упростить методику анализа примесей благодаря непрерывно действующему микротермодесорберу;2) significantly simplify the method of analysis of impurities due to the continuously operating microthermodeborr;

3) разработать и выпускать отечественные микрохроматографы и микроанализаторы для контроля качества различных продуктов, например, природных и нефтяных газов, мониторинга вредных веществ в воздухе и др.3) to develop and produce domestic microchromatographs and microanalyzers for controlling the quality of various products, for example, natural and petroleum gases, monitoring harmful substances in the air, etc.

Claims

Continuous planar microthermodeorber for gas chromatography, containing two sorption tubes with Peltier elements for cooling upon adsorption of impurities and heating during desorption, filled with an appropriate sorbent for adsorption concentration of volatile impurities of organic and inorganic substances from gaseous media and their subsequent thermal desorption from sorption tubes in the reverse direction, than during sorption, in the chromatographic column for analysis, characterized in that it contains channels for sorption the same geometry of the tubes formed on the flat metal plates mikrofrezerovaniya method to be alternatively connect to a chromatographic column as the dose volume using four elektropnevmoraspredeliteley for implementing continuous analysis process.